摘要
某矿现已开采到-1000米以下，三个采区共用一个回风井，部份巷道风阻较大，风机风压达到3500多帕，通风系统复杂，不易管理。针对这一问题，本文介绍了三维仿真软件Ventsim在某矿中的实际应用。系统实时的风网解算，动态显示风流方向、风量、风速等参数，并能科学、准确、快速的进行通风现状模拟、降阻方案模拟、污染物扩散模拟等，满足了某矿通风管理的要求，为通风管理人员及决策人员提供了科学可靠的数据，提高了通风管理的整体水平，具有良好的应用前景。
关键词：三维模型 通风管理 模拟ventsim
引言
矿井通风系统的基本任务是利用通风动力向井下各用风地点提供足量的新鲜空气, 稀释并排除各种有毒有害气体和粉尘, 调节气候, 确保工作地点的空气质量, 营造一个安全舒适的作业环境[1]。某矿矿总体分为东、西两部分，共4个采区，巷道众多，通风复杂，不易管理。矿井使用二维的通风网络解算软件进行管理，使得管理通风已变得简单，提高了通风管理的整体水平。但是软件的模拟与分析取决于输入数据的准确性和可靠性。由于网络中具有数以千计的风路分支，在输入数据时稍不注意就会出现严重错误，对大规模数据的浏览和编辑都成为问题，而且当不熟悉该矿井的其他人使用这些网络数据时将变得非常困难[2]。并且复杂通风网络的设计者对该网络具有较好的理解，但一旦该工程师离开，继任的工程师通常因为较难理解以前的设计而不得不放弃以前的工作。因此，某矿迫切需要一种能够对井下通风系统进行实时解算、图形化显示并且操作简单的数值分析系统，便于管理人员以一种直观、易懂的方式掌握矿井的通风现状，来满足日益提高的矿井安全生产管理需求。通过比较国内外的三维通风仿真系统，最终选择了金码软件（北京）有限公司的Ventsim系统，它可以很好的满足某矿的通风管理要求。
1.Ventsim三维仿真系统介绍
Ventsim是一套基于独立平台的矿井通风工具软件，系统具有很好的兼容性，可以非常方便的导入其他矿井设计软件或通风软件的基础数据，生成三维模型。系统包含风流模拟、热模拟、污染物模拟和通风经济性分析等功能。
系统构建的真实三维立体通风系统，填补了国内该领域的历史空白，实现了从原先二维平面显示到如今三维立体显示的跨越式转变。通过三维建模和对三维模型的多视角旋转观察，原先许多在二维图形下容易混淆和难以理解的问题得以轻松解决，例如：矿井分层重叠的巷道在二维图形下根本无法在一张图纸上按真实坐标显示，而且层与层之间的连接关系也无法显示，如今，这些问题在该三维通风模型图上迎刃而解。同时，该三维通风系统能提供丰富的图层管理工具帮助隐藏复杂通风网络中无关紧要的网络数据，而将重点数据展现出来。在三维模型中，用户可以方便的设置和获取任意节点的三维坐标，调整任意风路的断面尺寸，视图区的三维视图将您所做的调整即时的反映出来[3]。该软件采用可视化的方式来管理通风数据。所有这些数据都可以在三维视图中显示、在数据表中定制和输出，以及通过颜色图例管理器来对不同区间的数据设置颜色图例。
2.矿井概况
主提升为皮带斜井，年生产能力130万吨。总体分为东、西两部分采区，西部采区现正在开拓，东部采区为三、五、六采三个采区。全矿井通风路线过长，三五六采共用一个回风井，风机风压达到3500多帕，当前矿井开采深度已经达到-1000m以下，矿井地压很大，矿井巷道的变形很严重，导致部分巷道断面积变小，摩擦阻力变大，整个通风系统的阻力过大。
3 矿井三维模型的建立
采用精密气压计基点测定法，对矿井4个采区的主要通风路线，220多个点进行了测定。测定采用的方法、仪器符合要求，测定获得的数据可靠，误差精度满足需要。
3.1 三维模型的建立
在某矿最新的通风系统图上，描出每条巷道的中心线，并将AutoCAD图保存为DXF格式。然后将DXF文件导入到三维通风仿真系统中，生成实体巷道。利用从地测科获取的节点标高数据，给模型中的节点赋高程。完成初始三维模型的建立。
3.2赋基础数据，进行通风现状模拟，确保基础数据可靠
将阻力测定中所得到的巷道断面形状、面积、支护类型、摩擦阻力系数等参数赋给相应的巷道，并进行通风解算模拟，模拟出当前井下的实际状况，即检测基础数据的可靠性。通过调节某些分支的风阻，最终使三维立体模型中巷道的风速、风量、温度等与实际巷道基本相符。只有保证了基础数据的可靠性，才能当巷道风量、热源等发生变化时，准确模拟出改变后的状态，进而分析其影响。
图1 某矿的三维立体模型
4与现有二维通风解算软件在实际应用中的比较
使用二维通风解算软件时，首先得画出系统的通风网络图。当随着掘进工作的推进，巷道发生变化时，需重新绘制整个矿井的通风网络图，并给每条分支重新赋值，再进行解算，从而模拟出当前的风流状态。工作量很大，而且很容易出错。
而使用Ventsim三维通风仿真系统时，由于已建立的三维模型与实际矿井是一一对应的关系，解算是直接在现有的三维模型中进行，不需要画通风网络图。巷道发生变化时，直接在三维模型中修改巷道。在增删或修改巷道属性后，模型会自动检验到变化，从而自动重新解算并把当前的数据显示在巷道上。
在二维解算中，由于画的通风网络图，很多巷道被简化了，不易直接得到巷道的风量等情况，需仔细与通风系统图相对照来确定某条巷道的参数。在Ventsim中，三维模型与实际矿井对应，并且参数直接显示在巷道上，通过放大、缩小、旋转、移动模型，很容易获取所需要的信息。
图2 某矿用二维通风解算软件的局部视图
图3 用三维通风仿真系统解算时的局部视图
5降阻改造方案的模拟
经过实测以及数据处理发现三、五采回风处，巷道断面小，变形严重，局部阻力也很大，特别是回风立眼76-79段，立眼长只有12m，风阻为4.90900 N*s2/m8，阻力达到649帕。由于此处处于三采最大阻力路线总回风处，因此总回风路线功耗损失严重，会加大风机的负荷，增加用电成本。因此需对其实施降阻工程，减小巷道风阻，从而降低矿井通风阻力。
经项目组与矿方充分讨论，以及对实测数据的处理，提出减小部分阻力大的巷道，对部分阻力大的巷道进行扩大断面或者新掘并联巷道进行降阻，降低整个系统的通风阻力，减小风机的功耗。具体实施方法如下：将三采总回风处立眼相关联巷道进行适当的降阻，立风井底阻力大的巷道进行降阻。
5.1现状模拟数据
现状模拟中风阻较大的部分巷道数据如表1所示。
表1现状模拟中风阻较大分支
|
改造地点
|
分支号
|
分支名称
|
始节点
|
末节点
|
风阻
（N*s2/m8）
|
解算风量
（m3/s）
|
解算阻力
（Pa）
|
断面积
（m3）
|
|
三采
回风
立眼
处
|
147
|
32#层风道
|
82
|
79
|
0.0918
|
38.7
|
137.3
|
7.4
|
|
130
|
回风巷
|
79
|
77
|
1.3136
|
27.7
|
904.3
|
5
|
|
|
128
|
回风立眼
|
79
|
76
|
4.909
|
11
|
595.1
|
4
|
|
|
129
|
回风巷
|
76
|
412
|
0.2793
|
21.3
|
126.4
|
6
|
|
|
377
|
回风斜巷
|
412
|
77
|
0.4
|
21.3
|
181.2
|
6.5
|
|
|
三、
五、
六采
总回
风立
井底
|
373
|
总回风石门
|
150
|
151
|
0.0213
|
124.8
|
331.9
|
12
|
|
371
|
五采总排风道
|
149
|
150
|
0.2509
|
14.2
|
50.6
|
9
|
|
|
374
|
五采降阻巷
|
149
|
152
|
0.0558
|
45.7
|
116.6
|
8.4
|
|
|
375
|
回风立井
|
152
|
151
|
0.1273
|
45.7
|
266
|
19.6
|
|
|
370
|
五采总排风道
|
115
|
149
|
0.2275
|
59.9
|
816.8
|
9
|
|
|
六采总回风道
|
271
|
六采总回风道
|
159
|
155
|
0.2226
|
56.9
|
720.9
|
11
|
5.2模拟降阻后的数据
在建好的三维模型中直接修改要降阻的巷道属性值，然后进行模拟。模拟后的数据如表2所示。
表2 改造后的分支风阻
|
改造地点
|
分支号
|
分支名称
|
始节点
|
末节点
|
风阻
（N*s2/m8）
|
解算风量
（m3/s）
|
解算阻力
（Pa）
|
断面积
（m3）
|
|
三采
回风
立眼
处
|
147
|
32#层风道
|
82
|
79
|
0.0818
|
52.1
|
222.0387
|
10
|
|
130
|
回风巷
|
79
|
77
|
0.024
|
26.3
|
16.60056
|
10
|
|
|
128
|
回风立眼
|
79
|
76
|
0.004
|
25.8
|
2.66256
|
12
|
|
|
129
|
回风巷
|
76
|
412
|
0.0148
|
32.3
|
15.44069
|
10
|
|
|
377
|
回风斜巷
|
412
|
77
|
0.008
|
26.6
|
5.66048
|
10
|
|
|
三、
五、
六采
总回
风立
井底
|
373
|
总回风石门
|
150
|
151
|
0.0113
|
88.2
|
87.90541
|
14
|
|
371
|
五采总排风道
|
149
|
150
|
0.003
|
38.8
|
4.51632
|
12
|
|
|
374
|
五采降阻巷
|
149
|
152
|
0.006
|
96.2
|
55.52664
|
14
|
|
|
375
|
回风立井
|
152
|
151
|
0.003
|
96.2
|
27.76332
|
20
|
|
|
六采总回风道
|
271
|
六采总回风道
|
159
|
155
|
0.1126
|
60.5
|
412.1442
|
11
|
5.3模拟效果分析
降阻后，模拟得出立风井风机工况点为风量202.4m3/s，风压3321.5Pa，风量增加11.4m3/s，风压减少了221.2Pa左右，由于二采处于独立通风系统因此二采风机工况点不变。通过以上分析可知，对回风立眼相关联巷道进行增加断面积或者进行并联巷道降低风阻，以及立风井底回风道进行降阻，并且对部分巷道调风设施进行调整，方案是可以实施的。不仅立风井风机降低了风压，而且风机工况点仍在合理运行范围内，对矿井内各条主要巷道风量影响不大，主要用风地点的风量需求仍然满足，因此改造后，全矿井通风系统是安全可靠的，该改造方案可以实施。
6 在通风管理中的其它应用
6.1 实时的风网解算，动态显示风流方向、风量、风速等参数
系统默认采用三维透视图显示方式，即使对不太熟悉通风网络的人员来说，三维模型也会显得非常自然和容易理解。系统每隔5秒就会检测模型及参数是否发生了改变，如果“是”，整个模型会重新进行通风网络解算并将相应的数据显示在巷道上。每条巷道上会有动态移动的三角形来表示风流的方向。如果在模型中新贯通一条巷道时，模型会立即显示该巷道的风流方向、风量、风速等参数。
系统中内建了多达70多种通风相关的基础数据，并且所有这些数据都可以在三维模型中显示、在数据表中定制和输出。利用“颜色图例管理器”和“数据管理下拉列表”可以控制视图区显示的数据并对数据进行分析并以不同的颜色显示，从而帮助通风人员快速地了解矿井当前状况。
6.2污染物扩散模拟，辅助制定应急救援措施
系统能以稳态和非稳态的方式模拟污染物扩散。在模拟污染物扩散时，模型会以不同的颜色显示受到污染物影响的巷道，并动态显示巷道中污染物的浓度及其随时间的变化。在某矿三采皮带巷处模拟胶带发火后，烟流的扩散。使用“风路编辑”对话框在模型中设置皮带巷污染物初始量，进行模拟。通过查看受到污染物影响的巷道及其时间，从而制定出人员的避灾路线[4-5]。在三维模型中，设置不同颜色来表示避灾线路，直观易懂，从而达到救灾的目的。
图4皮带巷烟流扩散模拟
6.3污染源头的确定（如火源点）
污染源定位工具通过类似于一个污染物扩散模拟的相反过程来寻找污染物源头。其从设置的新风与污风报告来对风流进行追溯，并计算出污染源风量占巷道风量的比例。可以用来帮助快速判断井下可能的火源或污染源（如：矿尘和有毒有害气体）。随着工作人员对井下不同位置风流状态的报告（如：烟雾或新风），系统通过模拟将对上、下游风路根据模拟计算结果进行着色：红色（受污染巷道）、蓝色（新风巷道）、黄色（可能的污染源头）。当收到越来越多的位置状态报告后，污染源头可能所在的黄色区域将逐渐缩小，可以根据这一区域找到火源或者污染源头。
6.4风机选型及反风模拟
当矿井的通风网路结构、各风道的阻力、各用风点的需风量以及风井的位置均已确定之后, 应选择何种型号的风机, 既能满足风量要求, 又能使风机工况合理、功率消耗最小。当风机调整叶片角度时，如何影响整个通风系统。
该三维通风仿真系统内部具有目前最常用的风机数据库，而且可以添加新的风机数据，并自动生成风机特性曲线。由于三维立体模型中巷道的长度、断面形状、摩擦阻力系数等参数与实际井下巷道一一对应，所以系统通风模拟时能最真实的反应井下情况。从数据库中选取不同的风机及不同的叶片角度进行模拟，查看风机的工况点，最终通过比较，选择最合适的风机及叶片角度，达到最满意的效果。
依据“煤矿安全规程”，矿井每季度应至少检查1次反风设施，每年应进行1次反风演习；矿井通风系统有较大变化时，应进行1次反风演习。在三维模型中进行反风模拟简单易行，当巷道发生改变时，可以先在模型中进行反风模拟，能及时发现存在的问题，然后在实际矿井反风时，有针对性的检测。
6.5循环风的检测
不可控的循环风常容易导致热量、有毒有害气体的积聚，易发生事故。在某矿实际生产中，通风管理人员不但要了解整个矿井存在的循环风，而且要知道循环风的量，以便重点监测，预防事故。系统运用传统算法追踪整个矿井每一条风流路径，报告出可能循环的风流位置及风量。并可以通过“设置”菜单设置循环风的报告界限如允许1m3/s 或者0.1%的循环风。检测出的所有循环风流将以“闪烁风路”的形式显示。
7三维模型的后期维护
二维通风解算软件在某矿实际应用中，当巷道发生变化时，需要重新绘制通风网络图和设置相关参数，对人员的知识水平要求较高[6]。某矿以前是靠科研院校提供后期的系统维护与更新，费用较高，而且不及时。
在Ventsim三维通风仿真系统中，由于系统在设计时充分考虑了用户体验，使操作及其简单。矿井巷道发生变化时，只需在三维模型中，修改对应的巷道，系统就会自动重新进行通风解算，工作量很小[7]。矿上通风人员经过短期的培训，就能够对模型进行维护。大大减小了后期费用，而且能及时反应矿下真实情况。
8结论
针对某矿通风复杂、不易管理，以及三采局部阻力过大等情况，详细阐述了Ventsim三维通风仿真系统在该矿井中的应用。通过3D建模，将矿井复杂的巷道关系，直观的展现出来。实时动态的显示风流方向、风量等参数，使得通风人员能快速掌握井下现状，以便采取相应措施。降阻方案的模拟，为施工提供了可靠的科学依据。系统的污染物扩散模拟、最优经济断面选取、热模拟等功能则进一步提升了矿井通风管理的能力，节约了通风管理成本。它科学、准确、快速的进行通风现状模拟、改造措施方案模拟、矿井中远期通风方案模拟等，满足了某矿通风管理的要求，为通风管理人员及决策人员提供了科学可靠的数据，具有良好的应用前景。
